Нерасчетные режимы истечения из сопла Лаваля

Рассмотрим сверхзвуковое нерасчетное истечение из сопла Лаваля, когда . На значительном удалении от сопла давление в струе и в атмосфере должны уравняться. Давление в струе по мере удаления от выходного отверстия сопла постепенно уменьшается, скорость газа возрастает и поперечное сечение сверхзвуковой струи увеличивается (рис.). При этом происходит перерасширение струи, т.е. в некотором наиболее широком сечении струи устанавливается давление ниже атмосферного . После этого струя начинает сужаться, так как давление должно приблизиться к атмосферному, а скорость соответственно уменьшиться. Торможение сверхзвукового потока приводит, к возникновению скачков уплотнения. В результате этого в некоторой части сечения струи скорость становится дозвуковой, а давление выше атмосферного. Затем давление вновь уменьшается, сближаясь с атмосферным. При достаточно большом избытке давления скорость вновь достигает критического, а затем и сверхзвукового значения, т.е. появляется второй сверхзвуковой участок, на котором струя расширяется. В результате второго перерасширения и последующего увеличения давления возникает вторая группа скачков уплотнения. Вследствие потерь в первой группе скачков второе перерасширение струи и вторая группа скачков уплотнения получаются слабее первой. Постепенно струя рассеивает свою энергию. При небольшом избытке давления на срезе сопла также получаются колебания скорости и давления вдоль оси струи, но без скачков уплотнения.

При большом противодавлении сверхзвуковое истечение оказывается невозможным, и скачки давления перемещаются внутри сопла, т.е. осуществляются в меньшем сечении, на меньшей скорости для данного сверхзвукового течения. Если внутри сопла возникает отрыв потока от стенок, сопровождающийся обычно сложной системой скачков, то истечение в атмосферу происходит со сверхзвуковой скоростью, меньшей, чем на расчетном режиме.

С падением давления в камере скачок все ближе подходит к критическому сечению, одновременно становясь более слабым. Приблизившись вплотную к критическому сечению, скачок исчезнет, сверхзвуковое сопло при этом превратится в трубку Вентури. При работе двигателя на расчетном режиме давление в плоскости выходного среза сопла как в рабочей струе, так и во внешнем потоке равно атмосферному. С изменением скорости полета давление на срезе сопла в воздушно-реактивном двигателе изменяется. По этой причине неизменное выходное сечение становится не соответствующим расчетному режиму.

Можно выделить две области нерасчетных условий: первая — при недостаточной, вторая — при слишком большой площади выходного отверстия сопла. В первом случае на срезе сопла Лаваля поддерживается постоянное давление, величина которого выше атмосферного, т.к. выходное сечение меньше расчетного, вследствие чего газ в сопле расширяется не полностью. Величина давления на срезе равна

Чем меньше безразмерная площадь выходного отверстия (), тем ниже приведенная скорость (), и выше давление на срезе (). Выходя из сопла, струя, продолжает расширяться в атмосфере, а скорость потока растет. На рис. показаны границы области в струе, внутри которых среднее давление остается избыточным. Если достроить сопло до расчетных размеров, то из-за того, что внутри дополнительной части сопла господствует повышенное давление, получится прирост тяги . Следовательно, при недостаточной площади выходного отверстия тяга двигателя меньше, нежели на расчетном режиме. Другая область работы сопла Лаваля отвечает тому случаю, когда площадь выходного отверстия превосходную расчетную, т.е. когда величина полного давления не достаточна для того чтобы получить на выходе атмосферное давление. На этом режиме сопло Лаваля заполнено сверхзвуковым потоком до самого среза, а давление на срезе получается ниже атмосферного, т.е. сопло работает с перерасширением. При выходе струи в атмосферу в ней устанавливается сложная система скачков уплотнения, которая поддерживает разряжение в среде сопла. Работа в системе перерасширения возможна лишь до давлений . В ином случае, скачек уплотнения переместится внутрь сопла Лаваля, давление на срезе сравняется с атмосферным и скорость истечения станет дозвуковой. При слишком широком сопле скорость на выходе обычно такая же, как и на расчетном режиме, а давление ниже атмосферного, при этом в выходной части сопла Лаваля получается участок перерасширения, на котором к стенкам приложена сила , направленная по потоку. На этом режиме реактивная тяга ниже расчетной. Для увеличения тяги выгодно отбросить участок перерасширения, укоротив сопло до расчетных размеров.

Таким образом, во всех случаях отклонения от расчетного режима истечения при реактивная сила меньше, нежели на расчетном режиме. Реактивная тяга

На режиме перерасширения третий член в правой части этого равенства отрицателен (), а первые два члена больше, чем на расчетном режиме (из-за увеличения ); на режиме избытка давления () третий член положителен, а первые два члена вследствие уменьшения меньше, чем на расчетном режиме. Вычисления показывают, что некоторый отход от расчетных условий не влечет за собой значительного уменьшения реактивной тяги. Получается это потому, что изменение третьего члена в формуле тяги компенсируется в значительной мере изменением первых двух членов. По этой причине в тех случаях, когда выходное сечение сопла больше, чем сечение камеры сгорания, в целях снижения лобового сопротивления можно без особого ущерба для тяги укоротить сопло, приняв , т.е. работая на нерасчетном режиме. Можно доказать теоретически, что в ВРД величина достигает максимума при условии, что скорость истечения в точности равна скорости полета (), а давление на выходном срезе значительно выше расчетного (). На таком режиме тяга образуется только вследствие избытка давления на срезе сопла:

При постоянных значениях полного давления и температуры торможения в двигателе наибольшая тяга получается на расчетном режиме истечения. В случае нерегулируемого выхлопного сопла, т.е. сопла с постоянными сечениями, тяга возрастает при увеличении полного давления, так как при этом давление на срезе сопла растет, а приведенная скорость истечения не изменяется.

Дата добавления: 2014-01-11